基于DSP的智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化管理，本文基于DSP技術(shù)利用節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展的溫度傳感器DS18B20芯片設(shè)計(jì)了一款具有GPRS遠(yuǎn)程報(bào)警功能，經(jīng)濟(jì)、實(shí)用型溫度檢測(cè)系統(tǒng)。結(jié)果證明，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境溫度，報(bào)警靈敏，可廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)及其他領(lǐng)域。

隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，農(nóng)業(yè)正朝著智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展。“智慧農(nóng)業(yè)”就是充分應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)成果，集成應(yīng)用計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、音視頻技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)及專家智慧與知識(shí)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的智能化管理。溫度作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要指標(biāo)，溫度檢測(cè)系統(tǒng)是智能農(nóng)業(yè)的一個(gè)子系統(tǒng)。以DSP技術(shù)為核心，利用接口簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的DS18B20溫度傳感器芯片，設(shè)計(jì)了具有溫度檢測(cè)、溫度閾值設(shè)定、現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器報(bào)警、遠(yuǎn)程智能短信報(bào)警、溫度值實(shí)時(shí)顯示、溫度節(jié)點(diǎn)可擴(kuò)展等功能的溫度檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可廣泛進(jìn)行應(yīng)用推廣。

1 智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)

智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)在智慧農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，成為智慧農(nóng)業(yè)中信息采集必不可少的一部分。精確的獲取農(nóng)業(yè)生產(chǎn)或農(nóng)業(yè)產(chǎn)品管理中的溫度參數(shù)，有助于提升我國(guó)農(nóng)業(yè)管理水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化精準(zhǔn)管理、加速智慧農(nóng)業(yè)時(shí)代的到來(lái)。

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體方案

本智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要由DSP主控單元、CPLD譯碼單元、鍵盤(pán)掃描單元、溫度檢測(cè)單元、蜂鳴器/LED燈報(bào)警單元、GSM單元、液晶屏顯示單元組成，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)的溫度高于或低于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的蜂鳴器報(bào)警，或通過(guò)智能手機(jī)模塊將信息遠(yuǎn)程發(fā)送。溫度閾值和系統(tǒng)發(fā)送的手機(jī)終端號(hào)碼均可通過(guò)鍵盤(pán)掃描單元設(shè)定或修改，液晶屏顯示操作進(jìn)程。

該系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 DSP主控單元

本智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)采用TMS320C54x DSP芯片作為主處理器。TMS320C54x是TI公司生產(chǎn)的一款16位定點(diǎn)型DSP處理器，內(nèi)部采用程序總線和數(shù)據(jù)總線分開(kāi)的增強(qiáng)型哈佛結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)空間包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間、程序存儲(chǔ)空間、I/O空間，具有專門(mén)的硬件乘法器，采用流水線操作，提供特殊的數(shù)字信號(hào)處理指令。TMS320C54x采用核電壓和外設(shè)電壓分開(kāi)供電的雙電壓供電模式，具有豐富的外設(shè)接口，內(nèi)置看門(mén)狗定時(shí)器，提供多種程序固化方式。主處理器的選擇為系統(tǒng)的低功耗、功能擴(kuò)展、產(chǎn)品升級(jí)提供了保障。

1.3 CPLD譯碼單元

CPLD(Complex Programmable Logic Device)為復(fù)雜可編程邏輯器件，是一種用戶根據(jù)自身設(shè)計(jì)要求而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語(yǔ)言等方法實(shí)現(xiàn)，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過(guò)下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，選用XILINX公司的XC95144XL-T0100芯片，用來(lái)完成系統(tǒng)硬件資源分配、邏輯譯碼、鍵盤(pán)掃描等工作，利用原理圖及VHDL硬件編程語(yǔ)言混合模式進(jìn)行譯碼實(shí)現(xiàn)，編譯環(huán)境為Xilinx ISE 10.1版本軟件。

1.4 智能手機(jī)單元

智能手機(jī)單元(GSM)采用Qisda公司的M33G模塊，此模塊具有開(kāi)放的44引腳接口，可以方便用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。M33G為串口通信模塊，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)，選用16C450芯片實(shí)現(xiàn)并口到串口的轉(zhuǎn)換，使DSP處理器可以快速高效的與M33G通訊。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮M33G模塊天線及SIM卡座的固定方式。本單元可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能短信報(bào)警功能，此單元與系統(tǒng)的連接如圖2所示。(備注：系統(tǒng)中各功能單元的+5 V、+3.3 V、GND與系統(tǒng)的+5 V、+3.3 V、GND連接，不在圖中體現(xiàn)，下同。)

1.5 鍵盤(pán)掃描單元

鍵盤(pán)掃描單元由CPLD硬件描述語(yǔ)言VHDL程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，采用4x4鍵盤(pán)，自行定義鍵值。掃描輸入端共需四根信號(hào)線，掃描輸出端共需四根信號(hào)線，八條信號(hào)線均接到CPLD芯片上的I/O引腳，通過(guò)CPLD軟件譯碼實(shí)現(xiàn)鍵盤(pán)的功能，這樣的設(shè)計(jì)節(jié)省硬件資源，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。通過(guò)本單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手機(jī)號(hào)碼的輸入、更改、刪除等功能。此單元與系統(tǒng)的連接如圖3所示。

1.6 液晶屏顯示單元

液晶屏顯示單元采用AM—17622液晶屏，AM—17622是臺(tái)灣晶采光電科技股份有限公司生產(chǎn)的2.0英寸TFT-LCD屏，具有白色LED背光，驅(qū)動(dòng)芯片采用HX8309，支持8/9/16/18位并行接口設(shè)計(jì)，并具有豐富的命令功能。本系統(tǒng)采用16位并行接口設(shè)計(jì)，與系統(tǒng)的連接如圖4所示。通過(guò)液晶屏可實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控的溫度值，在手機(jī)號(hào)碼的輸入、更改、刪除時(shí)，液晶屏顯示當(dāng)前操作內(nèi)容。

1.7 蜂鳴器/LED燈單元

蜂鳴器/LED燈單元在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)系統(tǒng)報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)的溫度與設(shè)定溫度的偏差不在設(shè)定的控制范圍時(shí)，蜂嗚器/LED燈報(bào)警。設(shè)計(jì)中，利用TMS320C54x的XF、HD2引腳分別通過(guò)電流放大電路控制蜂鳴器和LED燈工作。

2 溫度檢測(cè)單元硬件設(shè)計(jì)

溫度傳感器選擇性價(jià)比較高的DS18B20芯片。該芯片是DALLAs公司生產(chǎn)的單總線器件，能夠直接讀取被測(cè)物體的溫度值，電壓適用范圍為3～5 V。DS18B20抗干擾能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)換精度高，接口電路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)溫，給硬件設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了極大的方便。

2.1 DS18B20特點(diǎn)

DS18B20提供9～12位精度的溫度測(cè)量，溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)，測(cè)量分辨率為±0.5℃，增量值最小可為0.0625℃，電源供電范圍3.0～5.5 V。將測(cè)量溫度轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字量最大需要750 ms，DS18B20有外部供電和寄生電源兩種供電方式，采用信號(hào)線寄生供電，不需額外的外部供電，在需要遠(yuǎn)程溫度探測(cè)和空間受限的場(chǎng)合特別有用。每個(gè)DS18B20有唯一的64位序列號(hào)，這使得可以有多個(gè)DS18B20同時(shí)在一條單總線上工作。

2.2 硬件電路

DS18B20與TMS320C54x DSP處理器的硬件接口連接極其簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)中DSl8820采用外部3.3 V電源供電，與TMS320C54x DSP處理器的外設(shè)供電電壓一致;DS18B20的關(guān)鍵信號(hào)線與TMS320C54x DSP的一條GPIO口相連，利用GPIO口的雙向輸入輸出特性完成對(duì)DS18B20芯片的讀寫(xiě)功能，選用TMS320C54x DSP外設(shè)HPI主機(jī)接口單元的數(shù)據(jù)引腳HD1與其連接，將HD1引腳配置成通用輸入輸出功能，實(shí)現(xiàn)DS18B20芯片對(duì)溫度的適時(shí)采集：DQ信號(hào)線需加4.7 KΩ的上拉電阻，保證HD1數(shù)據(jù)線的驅(qū)動(dòng)能力。DS18B20的GND端與系統(tǒng)的GND相連即可。

3 溫度檢測(cè)軟件實(shí)現(xiàn)

基于DSP的智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)整體實(shí)現(xiàn)的流程如圖6所示。

DS18B20芯片對(duì)時(shí)序和電性參數(shù)要求很高，在軟件程序編寫(xiě)時(shí)，必須嚴(yán)格遵守其工作時(shí)序，任何一個(gè)環(huán)節(jié)有誤，DS18B20均不能正常工作。本系統(tǒng)采用一個(gè)DS18B20芯片，在軟件程序編寫(xiě)時(shí)可以忽略對(duì)序列號(hào)的讀取。當(dāng)硬件中增加溫度節(jié)點(diǎn)控制時(shí)，需要對(duì)多個(gè)DS18B20進(jìn)行溫度采集，可以通過(guò)讀取DS18B20序列號(hào)用匹配ROM指令按順序依次訪問(wèn)各個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器的溫度采集。在DS18B20芯片復(fù)位時(shí)，如果芯片復(fù)位不成功，DS18B20就不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)，應(yīng)用數(shù)字示波器跟蹤檢查其工作時(shí)序是否正確。溫度檢測(cè)單元軟件實(shí)現(xiàn)的流程如圖7所示。

4 結(jié)論

基于DSP的智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可以實(shí)時(shí)檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境的溫度值，測(cè)量結(jié)果誤差小、精度高，并且可以通過(guò)顯示屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示測(cè)量結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到當(dāng)前溫度大于或小于設(shè)定的溫度閾值范圍時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)蜂鳴器/LED燈報(bào)警或通過(guò)遠(yuǎn)程智能短信進(jìn)行報(bào)警.該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)測(cè)溫，省去了ZigBee組網(wǎng)通信技術(shù)，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比，為農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化管理奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)，該智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)具有良好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。